DE2939732C2 - Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen

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DE2939732C2 DE2939732A DE2939732A DE2939732C2 DE 2939732 C2 DE2939732 C2 DE 2939732C2 DE 2939732 A DE2939732 A DE 2939732A DE 2939732 A DE2939732 A DE 2939732A DE 2939732 C2 DE2939732 C2 DE 2939732C2
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Description

mikplatten (41,43 und 45) abgedeckt sind, wobei die 20 Kühlkörper verbunden ist.
untere Keramikplatte (21) mit einem ersten Metall- Aus der DE-OS 25 24 910 ist eine Halbleiterdiodenan-
belagstreifen (22) versehen ist, auf dem eine erste Gruppe von drei Halbleiterdiodenchipsen (31, 33 und 35) angeordnet sind und mit einem zweiten Metallbelagstreifen (23) versehen ist, auf dem eine zweite Gruppe von drei Halbleiterdiodenchipsen (32, 34 und 36) angeordnet sind und wobei jede der drei oberen Keramikplatten (41,43 und 45) mit je einem Metallbelagstreifen (42, 44 und 46) versehen ist, der Ordnung, insbesondere ein Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen zu entnehmen, bei der jeweils drei Dioden in drei sich quer erstreckenden Reihen angeordnet sind, wobei jede Querreihe den Kathodenanschluß einer ersten Diode, den Kathodenanschluß einer zweiten Diode und den Anodenanschluß einer dritten Diode enthält.
Bei diese.- im Kraftfahrzeugbau üblichen Halbleiter-
jeweils einen Halbleiterdiodenchips aus der ersten 30 diodenanordnung für eine Gleichrichterschaltung sind und aus der zweiten Gruppe kontaktiert und wobei die einzeln verkapselten Halbleiterdiodenchipse über die drei Metallbelagstreifen (42, 44 und 46) in bekannter Weise
entsprechende Drähte zur gewünschten Gleichrichterschaltung zusammengeschlossen.
Die Verkapselung der Halbleiterdiodenchipse be-35 steht hierbei aus Metallbüchsen in denen die flachen Halbleiterdiodenchipse mit ihrer einen Fläche angelötet sind, während ihre andere Fläche über ein Kontaktteil und einen Leiter, der sich durch eine Versiegelung der Metallbüchse erstreckt, angeschlossen ist. Zwischen der platte (21) eben ist und zwei parallele, große Ober- 40 Versiegelung der Metallbüchse und dem Halbleiterdiflächen (24 und 25) aufweist, und wobei sich der erste odenchip ist normalerweise ein Luftraum, so daß die
Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterdiodenchip im wesentlichen nur nach einer Seite über die Metallbüchse erfolgen kann. Abgesehen von dieser einseitigen Wärmeableitung weist diese Halbleiterdiodenanordnung noch den Nachteil auf, daß die für die Wärmeableitung erforderliche Verkapselung der Halbleiterdiodenchipse wesentlich teurer ist als die Halbleiterdiodenchipse selbst.
Bei der an zweiter Stelle genannten Halbleiterdioden-
wobei sich die Metallbelagstreifen (42, 44 und 46) 50 anordnung ist die Wärmeableitung durch die unmittelvon der den Halbleiterdiodenchipsen anliegenden bare Anordnung des Halbleiterdiodenchips zwischen Oberfläche um die Seitenkanten herum und über
einen Teil der abliegenden Oberfläche erstrecken.
4. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Keramikplatte (45') eine Bohrung (47') zum kontaktieren des dem Halbleiterdiodenchip anliegenden Metallbelagstreifen (46'a^ aufweist.
5. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Me-
mit den drei Phasen eines Drehstromgenerators verbindbar sind und die beiden Metallbelagstreifen (22 und 23) der unteren Keramikplatte (21) in bekannter Weise mit einem Gleichstromnetz verbindbar sind.
2. Halbleiterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Keramik-
Metallbelagstreifen (22) von der den Halbleiterdiodenchipsen anliegenden Oberfläche (24) um eine Seitenkante (28) herum und über einen Teil der abliegenden Oberfläche (25) erstreckt.
3. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Keramikplatten (41, 43 und 45) eben sind und zwei parallele, große Oberflächen aufweisen und
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tallbelagstreifen aus einer auf einer auf die Keramikplatten aufgebrachten und eingebrannten Molybdän-Mangan-Schicht durch Elektroplattierung aufgebrachten Kupferbelag bestehen.
6. Halbleiierdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatten vorzugsweise aus Beryllerde bestehen.
den beiden Kontaktteilen zwar bereits verbessert, durch das Eingießen der gesamten Anordnung in Kunstharz wurde das Wärmeableitungsvermögen jedoch wieder stark verschlechtert.
Bei der erstgenannten Halbleiterdiodenanordnung war bereits eine verhältnismäßig gute Wärmeableitung gegeben.
Die beiden erstgenannten Halbleiterdiodenanordnungen weisen unabhängig von ihrem Wärmeableitungsvermögen den Nachteil auf, daß sie zur Bildung einer gewünschten Gleichrichterschaltung jeweils über getrennte Leiterverbindungen zusammengeschlossen werden müssen.
Bei einer weiteren im Hause der Anmelderin intern benutzten Halbleiterdiodenanordnung wurden Halbleiterdiodenchipse auf einer Keramikplatte angeordnet und über Metallbüchsen abgedeckt. Zwischen den von
den Metallbüchsen abgedeckten Halbleiterdiodenchipsen und den Metallbüchsen war wieder ein Luftraum, so daß infolge der schlechten Wärmeleitung eine in dieser Weise aufgebaute Gleichrichterschaltung für ein Kraftfahrzeug nur ungenügend geeignet war.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einer Halbleiterdiodenanordnung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erläuterten Art, die bereits ein gutes Wärmeableitungsvermögen besitzt, eine Halbleiterdiodenanordnung derart auszugestalten, daß unmittelbar bei der Herstellung der Halbleiterdiodenanordnung dii ekt eine erwünschte Gleichrichterschaltung dieser Halbleiterdioden erzielt wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Halbleiterdiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 aufgezeigten Merkmale aufweist.
In den Ansprüchen 2 bis 6 sind weitere zweckmäßige Einzelheiten der Erfindung erläutert.
Dadurch, daß sechs Halbleiterdiodenchipse auf einer gemeinsamen, unteren Keramikplatte angeordnet sind, die jeweils paarweise über drei getrennte obere Keramikplatten abgedeckt sind, wobei die untere Keramikplatte mit einem ersten Metallbelagstreifen versehen ist, auf dem eine erste Gruppe von drei Halbleiterdiodenchipsen angeordnet sind und mit einem zweiten Metallbelagstreifen versehen ist, auf dem eine zweite Gruppe von drei Halbleiterdiodenchipsen angeordnet sind und wobei jede der drei oberen Keramikplatten mit je einem Metallbelagstreifen versehen ist, der jeweils einen Halbleiterdiodenchips aus der ersten und aus der zveiten Gruppe kontaktiert und wobei die drei Metallbelagstreifen in bekannter Weise mit den drei Phasen eines Drehstromgenerators verbindbar sind und die beiden Metallbelagstreifen der unteren Keramikplatte in bekannter Weise mit einem Gleichstromnetz verbindbar sind, wird unmittelbar bei der Herstellung der Halbleiterdiodenanordnung die gewünschte Gleichrichter-Schaltung hergestellt, die infolge ihrer besonderen Vorteile, wie einfache und kompakte Bauweise, geringem Gewicht und hohem Wärmeableitungsvermögen, besonders für die Anwendung innerhalb der Baueinheit eines Wechselstromgenerators eines Kraftfahrzeuges, geeignet ist.
Die Erfindung wird anhand in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Schrägrißansicht einer Gleichrichteranordnung gem. der Erfindung für die Anordnung innerhalb eines Wechselstromgenerators;
Fig. 2 eine Explosionsansicht der Einzelteile der erfindungsgemäßen Zweiweggleichrichteranordnung;
F i g. 3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Gleichrichteranordnung;
Fig.4 eine Seitenansicht der Gleichrichteranordnung nach Fig. 3;
F i g. 5 ein Schaltbild der in den F i g. 2 und 3 gezeigten Zweiweggleichrichteranordnung und F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in F i g. 1.
In den F i g. 1 und 6 ist ein Wechselstromgenerator 10 mit einem Gleichrichter 20 versehen, der so klein ist, daß auch noch ein Spannungsregler 11 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet werden kann. In vorteilhafter Weise ist der Gleichrichter 20 im Gehäuse 12 derart angeordnet, daß er durch eine Zugangsöffnung leicht erreichbar ist. Durch die Anordnung des Spannungsreglers 11 innerhalb des Wechselstromgenerators 10 ist es möglich, eine aufwendige Verdrahtung zwischen dem Gleich-
richter 20 und dem Spannungsregler 11 zu vermeiden. In Fig.2 sind die einzelnen Bauteile des Gleichrichters 20 in Explosionsdarstellung gezeigt. Der Gleichrichter 20 besteht aus einer unteren Keramikplatte 21 mit zwei Metallbelägen 22 und 23 und aus oberen Kera mikplatten 41,43 und 45 bzw. 45' und Metallbelägen 42, 44 und 46 bzw. 46'a und b. Die obere Keramikplatte 45', wie sie in F i g. 2 gezeigt ist, unterscheidet sich gegenüber der oberen Keramikplatte 45, wie sie in Fig.3 gezeigt ist nur durch eine Bohrung 47', über die der Metallbelag 46'a über einen Leiter angeschlossen werden kann.
In beiden Gleichrichterausführungen sind sechs Halbleiterdiodenchipse 31,32,33,34,35 und 36 schachbrettartig zwischen der unteren Keramikplatte 21 und den oberen Keramikplatten 41,43 und 45 bzw. 45' angeordnet Zur Erleichterung d?r Herstellung sind die Halbleiterdiodenchipse 31 bis 36 mit oberen Lötflächen 31a bis 36a und mit unteren Lötflächen 316 bis 36Z> versehen.
Wie insbesondere aus den F i g. 2, 3 und 4 zu ersehen ist, ist die untere Keramikplatte 21 im wesentlichen als ebene rechteckige Scheibe ausgebildet, deren eine große Oberfläche 24 den Chipsen zugewandt ist, während die andere große Oberfläche 25 von den Chipsen abgewandt ist. Die untere Keramikplatte 21 ist an einer Seitenkante mit Abschrägungen 26 und 27 versehen, die ein Einsetzen des Gleichrichters 20 in das Gehäuse 12 des Wechselstromgenerators 10 erleichtern sollen. Ein Metallbelag 22erstreckt sich etwaüber ein Drittel der großen Oberfläche 24 und um die Seitenkante 28 herum und über die gesamte große Oberfläche 25. Ein Metallbelag 23 erstreckt sich im Abstand zum Metallbelag 22 über die restlichenzweiDritteldergroßenOberfläche24.
Die obere Keramikplatte 41 ist gleichfalls als ebene, rechteckige Scheibe ausgebildet, deren eine große Oberfläche 41a den Chipsen 31 und 32 abgewendet ist und deren große Oberfläche 41 b den Chipsen 31 und 32 zugewendet ist. Ein Metallbelag 42 erstreckt sich über die große Oberfläche 41a, über die Seitenkante 41c, die große Oberfläche 41 b und die Seitenkante 41d, also wie ein endloser Gürtel über die gesamte obere Keramikplatte 41. Der Metallbelag 42 ist mit einem winkelförmigen Kontaktteil 42a verbunden, dessen aufrechter Schenkel eine Kontaktzunge für den Anschluß einer Phase des Wechselstromgenerators bildet.
In gleicher Weise sind die oberen Keramikplatten 43 und 45 mit entsprechenden umlaufenden Metallbelägen 44 und 46 versehen.
Lediglich in F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform so der dritten oberen Keramikplatte 45' gezeigt, bei der die Metallbeläge 46'a und 46'i> nicht umlaufend ausgebildet sind sondern über eine Bohrung 47' und einen Leiter miteinander verbunden werden können. Eine solche Ausführung der Metallbeläge kann zweckmäßig sein, wenn die endlose, gürtelartige Anordnung der Metallbeläge aus irgendwelchen Gründen schwierig sein sollte.
Die Anordnung der Metallbeläge 42, 44 und 46 in Form von endlosen, Metallgürteln oder Metallbändern ist jedoch vorzuziehen, da auf disse Weise die entsprechenden Halbleiterdiodenchipse 31 und 32 bzw. 33 und bzw. 35 und 36 über zwei getrennte leitende Wege angeschlossen sind, wodurch sich ein geringerer Widerstar-1 und eine geringere Erwärmung ergibt.
Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, ist die Länge der oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 etwas geringer als die Breite der unteren Keramikplatte 21 und die Breite der oberen Keramikplatten 41,43 und 45 ist so gewählt, daß
sie nebeneinander auf der Länge der unteren Keramikplatte 21 Platz finden.
Die Halbleiterdiodenchipse 31 und 32 sind hierbei in einem solchen Abstand angeordnet, daß sie, werden sie zwischen der oberen Keramikplatte 41 und der unteren Keramikplatte 21 angeordnet, der Chip 31 mit seiner oberen Lötfläche 31a gegen den Metallbelag 42 und mit seiner unteren Lötfläche 316 gegen den Metallbelag 22 liegt, während der Chip 32 mit seiner oberen Lötfläche 32a gegen den Metallbelag 42 und mit seiner unteren Lötfläche 326 gegen den Metallbelag 23 liegt. In ähnlicher Weise sind die Chipse 33 und 34 zwischen der oberen Keramikplatte 43 und der unteren Keramikplatte 21 angeordnet und mit den entsprechenden Metallbelägen verbunden.
Das gleiche gilt für die Chipse 35 und 36 in Verbindung mit der oberen Keramikplatte 45 und der unteren Keramikplatte 21.
Während die oberen Metallbeläge 42,44 und 46 bzw. 46'a und b über winkelförmige Kontaktteile 42a, 44a und 46a bzw. über die Bohrung 47' elektrisch angeschlossen werden können, werden die Metallbeläge 22 und 23 über entsprechende Leiter elektrisch angeschlossen.
In F i g. 5 ist die Schaltung der Gleichrichteranordnung gezeigt, wie sie in den F i g. 2, 3 und 4 beschrieben wurde. Es handelt sich hierbei um eine Drei-Phasen-Brücken-Schaltung, wie sie für einen Drei-Phasen-Wechselstromgenerator erforderlich ist. Die drei Anschlußklemmen 51, 52 und 53 entsprechen hierbei den Kontaktteilen 42a, 44a und 46a. Die sechs Dioden 61,62, 63, 64, 65 und 66 entsprechen hierbei den Halbleiterdiodenchipsen 31, 32, 33, 34, 35 und 36. Die Anschlußklemmen 54 und 55 entsprechen hierbei den Leitungsanschlüssen an den Metallbelägen 22 und 23.
Bei der Herstellung des Gleichrichters 20 werden die Keramikplatten 21,41,43 und 45 z. B. aus einem Material wie Beryllerde hergestellt Beryllerde ist besonders geeignet, da es elektrisch isolierend ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist Ein anderes Material, das ebenso verwendet werden kann, jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist Alaun- oder Tonerde. Auf die aus diesen Materialien hergestellten Keramikplatten wird nun eine Molybdän-Mangan-Paste an den Stellen aufgebracht und eingebrannt, an denen ein Metallbelag gewünscht wird. Auf diese eingebrannte Molybdän-Mangan-Schicht wird nun Kupfer durch Elektroplattieren aufgebracht. Die Molybdän-Mangan-Schicht weist zwar eine geringere Leitfähigkeit als die Kupferlage auf, sie wirkt jedoch als Ausgleich zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kupfer und dem Keramikmaterial und den Halbleiterdiodenchipsen.
Eine gewünschte Schaltungsanordnung auf den Keramikplatten kann durch Abdecken der Kupferlage mittels Masken und Herausätzen der nicht erwünschten Teile hergestellt werden.
Nachdem die Keramikplatten mit den Metallbelägen versehen wurden, werden die Halbleiterdiodenchipse zwischen den Keramikplatten angeordnet und die gesamte Anordnung elektrisch erwärmt, so daß die an den Halbleiterdiodenchipsen vorgesehenen Lötflächen sich mit den Metallbelägen verbinden. Nachdem auf diese Weise die gewünschte Schaltungsanordnung hergestellt wurde, kann das fertige Bauteil mit einem Kunstharz vergossen werden, um den Zutritt von korrosiven Flüssigkeiten, wie sie in Kraftfahrzeugen z. B. durch Streusalzwasser gegeben sind, fernzuhalten.
Durch eine entsprechende Anordnung des Gleichrichters 20 im Gehäuse 12 des Wechselstromgenerators 10 kann weiterhin für eine günstige Wärmeableitung gesorgt werden, indem z. B. die untere Keramikplatte 21 am Gehäuse 12 mittels eines wärmeleitenden Klebers angeordnet wird, so daß eine Wärmeableitung über das Gehäuse 12 gesichert v/ird, während die oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 durch Luftzirkulation gekühlt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden der Aufbau und die Abmessungen eines Gleichrichters 20, wie er für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, angegeben. Das Material der Keramikplatten kann z. B. zu 99,5% aus Beryllerde bestehen und die Metallbeläge können aus einer 0,025 mm dicken Kupferlage mit einem Wärmeübergangswiderstand von 2 K pro Watt bestehen. Die Halbleiterdiodenchipse können Silikonplättchen von 3,81 mal 4,57 mm sein und ihre Lötflächen sind mit einem Lot bestehend aus 10% Zinn und 90% Blei versehen. Die Abmessungen der unteren Keramikplatte 21 können 30,5 mal 21,3 mm bei einer Dicke von 2,5 mm betragen, während die Abmessungen der oberen Keramikplatten 41, 43 und 45, 12,7 mal 25,4 mm bei einer Dicke von 1,27 mm betragen können. Die Breite der Metallbeläge 42,44 und 46 an den oberen Keramikplatten kann hierbei 10,2 mn betragen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter, für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen, mit auf einer Keramikplatte angeordneten und über Kontaktteile angeschlossenen Halbleiterdiodenchipsen, die zwischen Kontaktteilen und mehreren oberen und einer unteren Keramikplatte sandwichartig angeordnet sind und wobei die Keramikplatten eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, in dem die Kontaktteile aus elektrisch leitenden Metallbelägen bestehen, die sich über zumindest einen Teil der Oberflächen der oberen und unteren Keramikplatten erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Halbleiterdiodenchipse (31 bis 36) auf einer gemeinsamen, unteren Keramikplatte (21) angeordnet sind, die jeweils paarweise über drei getrennte, obere Kera-Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 22 39 945 ist eine Halbleiteranordnung mit einem auf einer Keramikplatte angeordneten und über Kontaktteile angeschlossenen Halbleiterdiodenchip zu entnehmen, der zwischen Kontaktteilen und einer oberen und einer unteren Keramikplatte sandwichartig angeordnet ist und wobei die Keramikplatten eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen und die Kontaktteile aus elektrisch leitenden Metallbelägen bestehen, die sich über zumindest einem Teil der Oberflächen der oberen und unteren Keramikplatte erstrecken.
Aus der DE-OS 20 35 252 ist eine Halbleiterdiodenanordnung zu entnehmen, die zwischen oberen und unteren Kontaktteilen sandwichartig angeordnet ist und wobei einer der Kontaktteile über eine thermisch stark leitende Klebmittelanordnung mit einem metallischen
DE2939732A 1978-10-23 1979-10-01 Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen Expired DE2939732C2 (de)

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